本發(fā)明屬于物質(zhì)的水分含量檢測，具體來說是一種采用近紅外光譜法的高精度物質(zhì)水分測量裝置。

背景技術(shù)：

1、水分含量是物質(zhì)各種性質(zhì)的重要表征，在化工、糧食、藥品、冶金等眾多行業(yè)有著重要的影響。比如在糧食生成領(lǐng)域而言，水分過多會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)期間發(fā)霉；在冶金領(lǐng)域，水分含量的多少影響著礦物原料的燒結(jié)質(zhì)量。對(duì)于藥品領(lǐng)域，更是對(duì)藥物的穩(wěn)定性、安全性和有效性具有重要的影響，甚至直接影響著藥物的療效。所以如何檢測物料樣品的水分是非常重要的一項(xiàng)工程。

2、水分的測定方法主要有干燥法、卡爾費(fèi)休法、蒸餾法、庫倫法、電導(dǎo)法、電容法、中子法、微波法、近紅外光譜法等。

3、在目前國內(nèi)外中生產(chǎn)測量水分儀的廠家中，最常見的是卡爾費(fèi)休法、庫倫法、微波法與紅外法。

4、卡爾費(fèi)休法是一種化學(xué)方法，其通過將式樣中的水分與卡爾費(fèi)休試劑定量反應(yīng)，再通過滴定計(jì)算含水量?？栙M(fèi)休法近些年來進(jìn)行不斷改進(jìn)，其適應(yīng)范圍不斷擴(kuò)大。

5、庫倫法水分儀在測定氣體中水分時(shí)得到廣泛的應(yīng)用，當(dāng)被測氣體以－定的流速流過電解池時(shí)，氣體中所含的水分被電解同時(shí)被電極間的吸濕劑吸收，電解電流的大小同氣體中水分的含量成正比。因此只要準(zhǔn)確地測量出電解電流，就可以計(jì)算出氣體中的水分含量。

6、微波水分儀，與近紅外光譜法的原理類似，其采用的微波波長很長，穿透力很強(qiáng)，在經(jīng)過含有水分子的物料后，水分子會(huì)吸收微波的能量而產(chǎn)生振動(dòng)，通過測量微波能量的衰減來測量水分含量，多用于測量液體樣本。

7、近紅外光譜法為通過測量近紅外光測得物料含水量，具體為根據(jù)朗伯比爾定律和紅外輻射理論，水分子對(duì)近紅外波段有著特征吸收峰，因此當(dāng)水分子吸收紅外輻射造成的能量衰減與含水量成正比，通過測量透射或反射的近紅外光即可間接測得物料含水量。

8、現(xiàn)有的近紅外水分儀存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大、光源能耗大、調(diào)制不方便、響應(yīng)時(shí)間長等問題。

9、公布號(hào)cn118310958?a的中國專利申請(qǐng)公開了一種基于雙led燈的近紅外水分儀及其測量方法，光路結(jié)構(gòu)包括第一led燈、第二led燈、擴(kuò)散透鏡、聚焦透鏡和光電探測器，光電探測器位于聚焦透鏡的焦點(diǎn)處且位于待測物的正上方，第一led燈和第二led燈位于光電探測器的兩側(cè)且第一led燈和第二led燈前端各裝有擴(kuò)散透鏡，上位機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路輸出頻率相同、周期相同、相位差為180°的兩路控制信號(hào)分別控制第一led燈和第二led燈交替點(diǎn)亮，第一led燈和第二led燈分別發(fā)出光線經(jīng)過擴(kuò)散透鏡照射到待測物，經(jīng)待測物漫反射后經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚后照射到光電探測器上，光電探測器的輸出端連接到到前置放大電路的輸入端，所述第一led燈和第二led燈中一個(gè)作為測量光源，另一個(gè)作為參比光源，所述測量光源的波段為1450nm，參比光源的波段為1200nm。該專利申請(qǐng)光路結(jié)構(gòu)簡單，檢測速度快，能耗小、調(diào)制方便、精度高，但是其雙波段調(diào)制采用一束測量光源以及一束參比光源，兩束參考信號(hào)做對(duì)比并不能有效消除相同質(zhì)地被測物料的顏色差異所造成的影響。

10、公布號(hào)cn103760116a的中國專利申請(qǐng)公開了一種無可動(dòng)部件在線連續(xù)測量式近紅外水分儀，包括光路機(jī)構(gòu)、檢測硬件電路及計(jì)算機(jī)，光路機(jī)構(gòu)由led光源、光電探測器、反射鏡及聚光鏡組成；光電探測器設(shè)置在反射鏡的上方；聚光鏡設(shè)置在光電探測器的上方；led光源設(shè)置在反射鏡的側(cè)方；led光源由測量光源、第一參比光源及第二參比光源組成。該專利申請(qǐng)由傳統(tǒng)儀器的切光盤調(diào)制(有可動(dòng)部件)分時(shí)測量改為對(duì)不同波長的led進(jìn)行不同頻率的電調(diào)制(無可動(dòng)部件)的連續(xù)測量，led光源不間斷地照射在被測物料上，實(shí)現(xiàn)非接觸在線連續(xù)測量，從而達(dá)到其降低儀器的維護(hù)量的目的。該專利申請(qǐng)采用的是持續(xù)照射解調(diào)信號(hào)的方式，由于近紅外測量的漫反射效果，根據(jù)不同測量物質(zhì)其反射也有所區(qū)別，其采集信號(hào)并不能保證其完整性，且加之經(jīng)過3次反射的損耗與噪聲影響，其解調(diào)信號(hào)具有較大失真率。并且該專利申請(qǐng)中，光程相較于傳統(tǒng)方案并沒有減少太多，僅僅將單個(gè)鹵素?zé)艄庠磽Q成3個(gè)平行排布的光源，而平行排布的led燈珠光斑實(shí)際重疊位置較小，由此造成測量時(shí)光斑探測面重合度小，無法保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，測量精度有很大改進(jìn)空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于如何能夠有效消除相同質(zhì)地被測物料的顏色差異所造成的影響并且保證信號(hào)的有效性。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題：

3、一種基于三led燈的近紅外水分儀，包括光路結(jié)構(gòu)、前置放大電路(9)、上位機(jī)(10)、驅(qū)動(dòng)電路和供電電路(15)，所述光路結(jié)構(gòu)包括第一led燈(2)、第二led燈(3)、第三led燈(4)、平凹聚焦透鏡(5)、雙凸聚焦透鏡(8)和光電二極管探測器(1)，光電二極管探測器(1)位于平凹聚焦透鏡(5)的焦點(diǎn)處且置于待測物體(7)一側(cè)并與垂線呈銳夾角，第一led燈(2)、第二led燈(3)和第三led燈(4)呈等邊三角形排列且位于雙凸聚焦透鏡(8)后，等邊三角形中心位于雙凸聚焦透鏡(8)的中心光軸上，所述第一led燈(2)、第二led燈(3)和第三led燈(4)中一個(gè)為測量光源，另外兩個(gè)為參比光源，所有光源的波段各不相同，光源整體位于待測物體(7)另一側(cè)，與光電二極管探測器(1)關(guān)于垂線呈對(duì)稱關(guān)系，上位機(jī)(10)控制驅(qū)動(dòng)電路輸出頻率相同、占空比相同、相位差為120°、相位幅值實(shí)時(shí)可調(diào)的三路控制信號(hào)分別控制第一led燈(2)、第二led燈(3)和第三led燈(4)交替點(diǎn)亮，三路led燈分別發(fā)出光線經(jīng)過雙凸聚焦透鏡(8)入射照射到待測物體(7)，經(jīng)待測物體(7)漫反射后經(jīng)過平凹聚焦透鏡(5)會(huì)聚后照射到光電二極管探測器(1)上，光電二極管探測器(1)的輸出端連接到到前置放大電路(9)的輸入端，前置放大電路(9)的輸出端連接到上位機(jī)(10)，供電電路(15)用于給前置放大電路(9)和驅(qū)動(dòng)電路供電。

4、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述測量光源的波段為1450nm，參比光源的波段為1200nm和1650nm。

5、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述光電二極管探測器(1)與垂線呈15°夾角。

6、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，第一led燈(2)、第二led燈(3)和第三led燈(4)位于雙凸聚焦透鏡(8)后1/4焦點(diǎn)處。

7、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，光源整體高度與光電二極管探測器(1)水平高度相同，離待測物體(7)200mm±50mm。

8、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，光電二極管探測器(1)的陽極接地，陰極分別連接到運(yùn)放u1的反相輸入端、電阻r1的一端和電容c1的一端，運(yùn)放u1的正相輸入端與電阻r1串聯(lián)后接地，運(yùn)放u1的正向電源輸入端分別連接到正5v和電容c2的一端，反向電源輸入端連接到負(fù)5v和電容c3的一端，電容c2和電容c3的另一端接地，運(yùn)放u1的輸出端分別連接到電阻r1的另一端、電容c1的另一端和電阻r3的一端，電阻r3的另一端分別連接到運(yùn)放u2的反相輸入端和電阻r5的一端，運(yùn)放u2的正相輸入端與電阻r4串聯(lián)后接地，運(yùn)放u2的正向電源輸入端分別連接到正5v和電容c4的一端，反向電源輸入端連接到負(fù)5v和電容c5的一端，電容c4和電容c5的另一端接地，電阻r5的另一端與運(yùn)放u2的輸出端相連后作為前置放大電路(9)的輸出端。

9、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，光電二極管探測器的型號(hào)為ingaas光電探測器。

10、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述的驅(qū)動(dòng)電路包括單片機(jī)系統(tǒng)電路(11)、第一壓控恒流電路(12)、第二壓控恒流電路(13)和第三壓控恒流電路(14)，單片機(jī)系統(tǒng)電路(11)輸出相位幅值實(shí)時(shí)可調(diào)的第一輸出端接入第一壓控恒流電路(12)，輸出相位幅值實(shí)時(shí)可調(diào)的第二輸出端接入第二壓控恒流電路(13)，輸出相位幅值實(shí)時(shí)可調(diào)的第三輸出端接入第三壓控恒流電路(14)，第一壓控恒流電路(12)的輸出端接入第一led燈(2)的輸入端，第二壓控恒流電路(13)的輸出端接入第二led燈(3)的輸入端，第三壓控恒流電路(14)的輸出端接入第三led燈(4)的輸入端。

11、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述單片機(jī)系統(tǒng)電路(11)輸出的三路調(diào)制信號(hào)中，一路信號(hào)在1/6周期處為高電平，一路信號(hào)在1/2周期處為高電平，一路信號(hào)在5/6周期處為高電平，三路調(diào)制信號(hào)的占空比均為1/6。

12、作為進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，所述的供電電路(15)輸出3v3直流電壓給單片機(jī)系統(tǒng)電路(11)供電，輸出正負(fù)12v直流電壓給第一壓控恒流電路(12)、第二壓控恒流電路(13)和第三壓控恒流電路(14)供電，輸出正負(fù)5v直流電壓給前置放大電路(10)供電；

13、壓控恒流電路中單片機(jī)系統(tǒng)電路(11)的輸出信號(hào)接入電阻r6的一端，電阻r6的另一端分別與運(yùn)放u3的第二正向輸入端以及電阻r7的一端相連，電阻r7的另一端連接運(yùn)放u3的第一負(fù)向輸入端以及運(yùn)放u3的第一輸出端，運(yùn)放u3第一正向輸入端連接到運(yùn)放u4的輸出端，運(yùn)放u3的正向電源輸入端分別連接到正12v和電容c7的一端，反向電源輸入端連接到負(fù)12v和電容c6的一端，電容c6和電容c7的另一端接地，運(yùn)放u3的第二反向輸入端連接到電阻r8、電阻r9、電容c9的公共端，電阻r9的另一端接地，電阻r8和電容c9的另一端連接到運(yùn)放u4的輸出端，運(yùn)放u3的第二輸出端連接到運(yùn)放u4的輸入端，電阻r10、電阻r11、電阻r12并聯(lián)在運(yùn)放u4輸出端之后，且并聯(lián)的電阻r10、電阻r11、電阻r12的另一端作為總輸出端，運(yùn)放u4的正向電源輸入端分別連接到正12v和電容c10的一端，反向電源輸入端連接到負(fù)12v和電容c8的一端，電容c8和電容c10的另一端接地。

14、本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)在于：

15、1、本發(fā)明的光路機(jī)械結(jié)構(gòu)中，led燈取代鹵素?zé)?，省去了機(jī)械斬波盤，電機(jī)以及濾光片，光路結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)小巧，且led光源結(jié)構(gòu)簡單、光效較高、壽命長。采用單頻差分調(diào)制技術(shù)，上位機(jī)通過電調(diào)制控制驅(qū)動(dòng)電路輸出頻率相同、占空比相同、相位差為120°、幅值可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的三路路控制信號(hào)，使三個(gè)led燈交替點(diǎn)亮，調(diào)制方便，同時(shí)相較于傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)制，電調(diào)制的調(diào)制頻率可以達(dá)到khz量級(jí)，檢測速度更快。三個(gè)led燈經(jīng)過擴(kuò)束聚焦后進(jìn)行照射，光源探測面基本重合，光斑覆蓋范圍較大，測量精度高。三路led燈的對(duì)比可以很好的消除顏色差異，顆粒度差異帶來的影響，特別是可以有效的消除相同質(zhì)地被測物料的顏色差影響。

16、2、本發(fā)明的光源采用特定波長的led燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鹵素?zé)艏t外光譜光源，由三個(gè)led燈呈等邊三角形排列，分別產(chǎn)生一束測量光與兩束參比光，經(jīng)過聚焦透鏡后在一定距離范圍內(nèi)，具有良好的合束效果，可以近似視為一束平行光出射其照射位置處于近似同一位置，使得采集到的信息有效，具有參考價(jià)值。led光源經(jīng)過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路單頻差分調(diào)制，測量光與參比光頻率相同、占空比相同、相位差120°且輸出的幅值相位通過上位機(jī)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)。通過改變調(diào)制頻率，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅值以及相位與占空比，進(jìn)而調(diào)整光源照射的強(qiáng)度、間隔與時(shí)間可以適應(yīng)不同測量環(huán)境，不同待測物體，同時(shí)輸出信號(hào)通過單片機(jī)可以做到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，斷電不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

17、3、本發(fā)明的電路整體采用貼片設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了對(duì)安裝尺寸的要求，做到小巧便攜。模塊化的設(shè)計(jì)降低了各個(gè)電路之間的干擾，大大提升了整體電路的抗干擾能力，提升接受信號(hào)信噪比，更加便于維護(hù)。采用高精度的低噪聲微弱信號(hào)放大器，擁有較高的測量精度。